信号放大电路测试电路

2019/10/17,2. 信号放大电路,信号放大电路是为了将微弱的传感器信号放大到足以进行各种转换处理或驱动指示器、记录器以及各种控制机构。,在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路。,要求：,阻抗匹配 有一定的放大倍数和稳定的增益 低噪声 低输入失调电压和失调电流及低温漂 足够的带宽和转换速率 高共模输入范围和高共模抑制比 可调的闭环增益 线性度好，精度高,2019/10/17,2. 信号放大电路,测量放大电路的主要误差源,高共模抑制比放大电路,高输入阻抗放大电路,低漂移放大电路,电桥放大电路,2019/10/17,2. 信号放大电路,隔离放大电路,电荷放大电路,增益可控放大电路,2019/10/17,2. 信号放大电路 2.1 运算放大器的误差及其补偿 2.1 运算放大器件的主要误差源（实际特性）,序号 参数名称 理想值 实际值 1 差模增益 90100dB以上 2 共模增益 0 0dB以上 3 输入阻抗 100k数兆欧 4 输出阻抗 0 10数百欧 5 带 宽 0 010Hz（或010kHz） 6 动态范围 0供电电压 有限部分 7 输入失调电压 0 纳伏至毫伏 8 输入失调电流 0 皮安至微安 9 噪 声 0 纳伏至微伏,2.1 测量放大电路的主要误差源,2. 信号放大电路,采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和线性范围。 最主要的误差因素是噪声与失调漂移。 固定的失调可以通过调整来解决。,§2.1.2 集成运放的主要直流参数,1、输入失调电压Uos 2、输入失调电流I0S 3、转换速率SR,最大不失真频率fmax 4、闭环放大倍数Kf 5、共模抑制比KCMR,概念 集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压，mV级参数（双极型：110mv；场效应管型：大一些） 多在前置放大器中产生误差，可消除。 设计时注意选用低U0S的运放和设计相应调零电路。,输入失调电压U0S,输入失调电流I0S,概念 当运算放大器输出直流电压为零时，两输入端偏置电流的差值，即I0SIIB1IIB2 可以通过调零电路消除。 一般说来，运算放大器的偏置电流越大，其输入失调电流也越大。,转换速率SR,最大不失真频率fmax,转换速率SR表示输出电压能够跟踪输入电压的能力,当输出为正弦波,为使输出信号不失真,运放的闭环放大倍数,运放振荡产生的原因及消除方法,增加RC补偿网络,2019/10/17,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源,式中 k 玻耳兹曼常数，k =1.38×10-23J/K； T 导体的绝对温度（K）； B 测量系统的噪声带宽(Hz)； R 导体阻抗的实部()。,噪声 噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。 热噪声 由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源 低频噪声 与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声,式中 k1 与材料有关的常量，其量纲与a、b有关； I 工作电流(A)； a、b 由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.81.5，a通常为1； f 工作频率(Hz)。,散弹噪声 流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续的，而是脉冲性质的，电流的方均值或方均根值不为零 式中 q 电子电荷，为1.59×10-19C； IDC 直流电流(A)； B 测量系统的噪声带宽 (Hz)。,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源,减小噪声影响的主要措施 （1）采用噪声小的器件； （2）采用信号调制解调与滤波，限制通频带； （3）采用屏蔽措施； （4）采用高共模抑制比电路。,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源,共模抑制比KCMR,概念 运放工作于线性区域时，其差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比，即 KCMRAVD/AVC 以分贝表示为KCMR20lg（AVD/AVC） 理想运放KCMR无穷大，实际KCMR为有限值 设计高精度放大器时应选用高KCMR的运放,减小漂移影响的主要措施 （1）采用低漂移放大电路； （2）合理设计偏置电路； （R3= R1 / R2 ） （3）采用信号调制解调。,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源,在许多情况下需要测量的参数是差值 形状误差、位置误差、差压、温差 有许多参数表面上看不是差值，实际还是差值 在多数情况下外界干扰主要是共模干扰 在集成电路制造中，比较容易保证的是参数的一致性,2. 信号放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,一、基本放大电路,2. 信号放大电路,同相放大电路,2.3 典型测量放大电路,理想运算放大器的条件,开环电压放大倍数AVD（虚短） 差模输入电阻RID （虚断） 开环输出电阻RO 0 共模抑制比KCMRR ,2.2.1 同相放大器,a.基本设计公式,式中，ri为运放的开环输入阻抗，A 为运放的开环增益，F为电路的反馈系数，即,A104; 双极型:ri104; 场效应:ri108;,2.2.1 同相放大器,b.特点 1）输入阻抗高，易受干扰 2）共模误差大,输入阻抗高带来的好处 是用在前置放大器中。,2.2.1 同相放大器,c.同相放大器的变形形式,提供输入偏置电流通道 平衡输入偏置电流 R1R2 R2R3、R4,（1）低频交流放大器,低 频 LF 30-300KHZ 中 频 MF 300-3MHZ 高 频 HF 3-30MHZ,2.2.1 同相放大器,c.同相放大器的变形形式,平衡输入偏置电流,（2）同相放大器的极端形式射极跟随器,d.同相放大器的设计,1)选择一种同相放大器的结构； 2)为同相放大器选择元器件; 集成运算放大器 电阻、电容,2.2.2 反相放大器,a.基本设计公式,2.2.2 反相放大器,b.特点,（1）低输入阻抗，稳定性好,（2）无共模信号，共模误差小,R3：平衡电阻，R3R1/R2 R1、R2 的选择,多用作中间或后置级放大。,2.2.2 反相放大器,c.反相放大器的变形形式,保证一定增益的条件下提高输入阻抗,（1）反相放大器的变形形式,根据“虚短”和“虚断”,R3R1/R2,取R2=R1R4、R5,2.2.2 反相放大器,c.反相放大器的变形形式,抑制高频噪声,（2）反相放大器的实用形式交流反相放大器,平衡输入偏置电流 R3=R2(隔直电容C1的存在),归纳如下：,2019/10/17,一、基本差动放大电路,ui1作用时电路的输出uo1,ui2作用时电路的输出uo2,2.2 高共模抑制比放大电路,独立作用原理,基本差动放大电路是反相放大电路与同相放大电路的组合,2.信号放大电路,一、基本差动放大电路,取R2/R1=R4/R3,具有共模抑制能力。,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,一、基本差动放大电路,实际上不可能完全做到R2/R1=R4/R3,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,一、基本差动放大电路,电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,二、同相串联高共模抑制比放大电路,特色： 1. 同相输入、高输入阻抗； 2. 对于N2仍然是差动放大电路,2.3.5 高共模抑制比放大电路,基尔霍夫定理,2.信号放大电路,二、同相串联高共模抑制比放大电路,取,2.2 高共模抑制比放大电路,增益与共模抑制比牵连,2.信号放大电路,三、三运放高共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,RP调整两臂平衡,2.信号放大电路,电路特点： 输入阻抗高； 增益调整方便； 对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。,三、三运放高共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽层之间的电容C1和C2 ，以及传感器和传输电缆内阻RS1和RS2将在放大器输入端形成两个积分电路。共模输入信号uic 在RS1、RS2上产生jRS1C1uic、jRS2C2uic的压降,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,引起输出端差模电压,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,对于原来 的电路,2.2 高共模抑制比放大电路,uo,引入有源屏蔽驱动电路，屏蔽电缆芯线与屏蔽层共模电压为零，消除了屏蔽电缆电容的影响。,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,（1）差动放大器件特性不一致 共模电压产生差动电压 引起输入共模抑制比变化,2.信号放大电路,五、运放器件偏离理想特性的影响,2.2 高共模抑制比放大电路,（2）差动放大器特性不理想 共模增益同时受阻抗不匹配和运算放大器N3的有限共模抑制比影响， 由阻抗不匹配引起附加共模增益 运算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益,2.信号放大电路,五、运放器件偏离理想特性的影响,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,五、运放器件偏离理想特性的影响,（2）差动放大器特性不理想 总附加共模增益比 输出总共模抑制比,2.2 高共模抑制比放大电路,当CMRR12KdCMRR3时 CMRR= KdCMRR3,某些传感器输出的信号电压常在在微伏级，且为直流缓变信号，漂移是一个关键难题。常用措施包括(1)尽早调制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信号放大电路。 许多情况下难以在传感器内直接调制，减小测量放大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大至关重要。 集成电路中放大器通过模拟开关切换轮换工作，半个周期测量保存、失调电压，另半个周期放大输出，对失调电压进行校正，实现自动调零。,2.3.6 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,电路特点： 输出电压较稳定,波动小； 电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位模拟开关CD4066即可组成）； 适用于毫伏级的低电平放大。,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,问题提出：电路的接入不应该影响原系统工作状态 有些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达108以上，这就要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗，不至于因为放大电路的接入使传感器输出信号大幅度下降。开环集成运算放大器的输入阻抗通常都很高，但反相运算放大电路等，其输入阻抗远低于同相运算放大电路。,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,b) 跟随电路,a) 同相放大电路,采用同相输入具有很高输入阻抗,2019/10/17,2. 信号放大电路,uo,2.4 高输入阻抗放大电路,对于交流放大器需要为电容提供放电通道，它使输入